Эпигенетическая вариация

Эпигенетическая вариация — это различия в экспрессии генов или фенотипе организмов, которые обусловлены изменениями в активности генов, не связанными с изменениями последовательности ДНК (мутациями). Такие вариации возникают в результате эпигенетических модификаций — химических изменений ДНК и связанных с ней белков (гистонов), которые регулируют доступность генов для транскрипции. Эпигенетическая вариация может быть стабильной и передаваться при делении клеток (митозе), а в некоторых случаях — и через поколения (мейозе), образуя форму неменделевского наследования.

История изучения

Термин «эпигенетика» был введён в 1942 году британским биологом Конрадом Уоддингтоном для описания взаимодействия генов и среды в процессе развития. Однако систематическое изучение эпигенетических вариаций началось во второй половине XX века. В 1975 году Робин Холлидей и Джон Пью предложили модель, согласно которой метилирование ДНК может служить механизмом эпигенетической регуляции. Ключевым прорывом стало открытие в 1980-х годах явления геномного импринтинга у млекопитающих — когда экспрессия гена зависит от родительского происхождения аллеля, что является примером стабильной эпигенетической вариации.

В 2000-х годах развитие методов секвенирования ДНК и анализа метилирования (например, бисульфитного секвенирования) позволило картировать эпигенетические модификации в масштабе всего генома. Проект «Эпигеном человека» (Human Epigenome Project), запущенный в 2003 году, ставил целью идентификацию всех эпигенетических маркеров в различных типах клеток. К 2010-м годам стало очевидно, что эпигенетические вариации играют роль не только в развитии и дифференцировке клеток, но и в патогенезе многих заболеваний, включая рак и психические расстройства.

Механизмы возникновения

Эпигенетические вариации возникают через несколько основных молекулярных механизмов:

Метилирование ДНК

Наиболее изученный механизм — присоединение метильной группы (-CH₃) к цитозиновым основаниям в CpG-динуклеотидах. В клетках млекопитающих метилирование обычно подавляет транскрипцию гена. Вариации в степени метилирования конкретных участков генома приводят к различиям в экспрессии генов между клетками, тканями или организмами. Например, у человека метилирование промоторных областей генов-супрессоров опухолей может быть причиной их инактивации при раке.

Модификации гистонов

Гистоны — белки, вокруг которых наматывается ДНК, образуя нуклеосомы. Химические модификации их хвостовых участков (ацетилирование, метилирование, фосфорилирование, убиквитинирование) изменяют структуру хроматина. Ацетилирование гистонов, как правило, активирует транскрипцию, делая ДНК более доступной. Метилирование гистонов может как активировать, так и подавлять гены в зависимости от конкретного остатка лизина или аргинина. Различия в паттернах модификаций гистонов между клетками создают эпигенетические вариации.

Некодирующие РНК

Малые интерферирующие РНК (siRNA) и микроРНК (miRNA) могут направлять эпигенетические модификации на определённые участки генома, вызывая сайленсинг генов. У растений и некоторых животных этот механизм участвует в формировании эпигенетических вариаций, передаваемых по наследству.

Типы эпигенетических вариаций

Эпигенетические вариации классифицируют по нескольким признакам:

По стабильности

• Обратимые вариации — могут изменяться под влиянием внешних факторов (диета, стресс, токсины) или в ходе развития. Например, метилирование ДНК в клетках иммунной системы меняется при активации лимфоцитов.
• Стабильные вариации — сохраняются в ряду клеточных делений, часто в виде эпигенетической памяти. Пример — инактивация X-хромосомы у самок млекопитающих, которая фиксируется в раннем эмбриогенезе и стабильно поддерживается в соматических клетках.

По наследованию

• Соматические вариации — передаются только дочерним клеткам в пределах одного организма (митоз). Они играют роль в дифференцировке тканей и старении.
• Трансгенерационные вариации — передаются через половые клетки следующему поколению (мейоз). Такое наследование описано у растений, нематод, дрозофил и, в ограниченной степени, у млекопитающих. Например, у мышей воздействие голодания на родителей может вызывать изменения метилирования ДНК у потомства.

По происхождению

• Стохастические вариации — возникают случайно, без видимых внешних причин, из-за ошибок в поддержании эпигенетических меток при делении клеток.
• Индуцированные вариации — вызваны факторами среды (температура, питание, стресс, химические вещества). Например, у растений эпигенетические вариации могут быть ответом на засуху или засоление почвы.

Роль в биологии и медицине

Развитие и дифференцировка

Эпигенетические вариации лежат в основе дифференцировки клеток: все клетки многоклеточного организма имеют одинаковую последовательность ДНК, но различаются по экспрессии генов благодаря эпигенетическим меткам. Например, нейроны и гепатоциты имеют разные паттерны метилирования ДНК и модификаций гистонов, что определяет их специализацию.

Заболевания

Нарушения эпигенетической регуляции связаны с рядом патологий:

• Рак — аномальное метилирование генов-супрессоров опухолей (например, BRCA1) и гипометилирование онкогенов. Эпигенетические изменения при раке часто являются ранними событиями канцерогенеза.
• Неврологические расстройства — синдром Ретта (мутация в гене MeCP2, распознающем метилированную ДНК), шизофрения и аутизм (изменения метилирования в генах, связанных с синаптической пластичностью).
• Метаболические заболевания — ожирение и диабет 2 типа связывают с эпигенетическими изменениями в генах, регулирующих обмен веществ, индуцированными диетой.

Адаптация и эволюция

Эпигенетические вариации могут обеспечивать быструю адаптацию организмов к изменяющимся условиям среды без изменения последовательности ДНК. У растений и микроорганизмов они могут быть основой для фенотипической пластичности. В эволюции эпигенетические вариации могут предшествовать генетическим изменениям, создавая временный фенотипический ответ, который затем может быть закреплён мутациями.

Методы изучения

Для анализа эпигенетических вариаций используются:

• Бисульфитное секвенирование — позволяет определить метилирование цитозинов с точностью до одного нуклеотида.
• ChIP-seq (хроматиновая иммунопреципитация с секвенированием) — картирует модификации гистонов и связывание регуляторных белков.
• ATAC-seq — оценивает доступность хроматина, что отражает эпигенетическое состояние клеток.
• Секвенирование РНК (RNA-seq) — позволяет выявить различия в экспрессии генов, обусловленные эпигенетическими механизмами.

Примеры в природе

• Инактивация X-хромосомы у млекопитающих — у самок одна из двух X-хромосом случайным образом инактивируется в раннем эмбриогенезе, что приводит к мозаицизму: разные клетки экспрессируют разные аллели генов X-хромосомы.
• Импринтинг генов у человека — гены, такие как IGF2 и H19, экспрессируются только с одной родительской копии. Нарушение импринтинга связано с синдромами Беквита — Видемана и Прадера — Вилли.
• Эпигенетические вариации у растений — у Arabidopsis thaliana описан случай наследования устойчивости к гербицидам через метилирование ДНК, сохранявшееся в течение нескольких поколений.
• Трансгенерационное наследование у нематод — Caenorhabditis elegans может передавать эпигенетические метки, связанные с подавлением транспозонов, через 10 и более поколений.

Критика и ограничения

Концепция эпигенетической вариации подвергается критике за нечёткость границ: некоторые исследователи относят к эпигенетике любые стабильные изменения экспрессии генов, включая те, что опосредованы обратными связями в регуляторных сетях (например, петли ауторегуляции транскрипционных факторов). Другая проблема — сложность доказательства трансгенерационного наследования у млекопитающих, так как эпигенетические метки часто стираются при репрограммировании в половых клетках. Кроме того, методы анализа эпигенетических вариаций чувствительны к артефактам, и результаты требуют тщательной валидации.

Источники

• Allis C. D., Jenuwein T. The molecular hallmarks of epigenetic control // Nature Reviews Genetics. — 2016. — Vol. 17, № 8. — P. 487–500.
• Bird A. Perceptions of epigenetics // Nature. — 2007. — Vol. 447, № 7143. — P. 396–398.
• Heard E., Martienssen R. A. Transgenerational epigenetic inheritance: myths and mechanisms // Cell. — 2014. — Vol. 157, № 1. — P. 95–109.
• Jaenisch R., Bird A. Epigenetic regulation of gene expression: how the genome integrates intrinsic and environmental signals // Nature Genetics. — 2003. — Vol. 33, Suppl. — P. 245–254.
• Jones P. A., Baylin S. B. The epigenomics of cancer // Cell. — 2007. — Vol. 128, № 4. — P. 683–692.
• Richards E. J. Inherited epigenetic variation — revisiting soft inheritance // Nature Reviews Genetics. — 2006. — Vol. 7, № 5. — P. 395–401.